BIOSSORÇÃO DE ÍONS COBRE UTILIZANDO BAGAÇOS E CASCAS DE LARANJA

Autores

Stadnik, J. (INSTITUTO FEDERAL DO PARANÁ) ; Borges, A.R. (INSTITUTO FEDERAL DO PARANÁ) ; Giusti, E.D. (INSTITUTO FEDERAL DO PARANÁ)

Resumo

A contaminação ambiental por meio de metais tóxicos contribui para a poluição do ar, dos solos e da água. O cobre, dentre os variados contaminantes, é um dos mais difundidos e poluentes dependendo da sua forma química. Visando a melhoria das condições ambientais, a biossorção surge como alternativa para a remoção de metais presentes em efluentes que contaminam o meio ambiente. Buscando utilizar-se se um material biossorvente para a recuperação do metal cobre, bagaços e cascas das espécies de laranja Pêra e Bahia foram utilizadas, para isso, diversos aspectos foram considerados, como o ponto de carga zero e melhor tempo e massa para o processo, assim como análises de microscopia e espectroscopia do infravermelho, de modo a verificar as propriedades adsortivas das biomassas estudadas.

Palavras chaves

Biossorção; Laranjas ; Cobre

Introdução

Ao explorar as culturas econômicas e alimentares é relevante que sejam determinadas e conhecidas as toxicidades dos elementos químicos ao meio ambiente e a saúde humana. Os impactos ambientais são caracterizados pelas alterações no meio ambiente, normalmente, provocadas pelo homem, de modo a alterar suas propriedades físicas, químicas e biológicas. Sendo causados por qualquer fonte de matéria ou energia, os impactos ambientais podem afetar a saúde, a segurança e o bem-estar da população, além de comprometer a qualidade dos recursos naturais (OLIVEIRA, 2016). Concomitante a isso, o consumo de produtos industrializados é um dos principais responsáveis pela contínua produção de lixo, pois o processo de industrialização requer o uso de metais para a produção dos mais variados produtos (PINTO, 2017). A contaminação do ambiente por meio de metais potencialmente tóxicos contribui diretamente para a poluição do ar, dos solos e da água, provocando a mortandade de espécies, assim como a intoxicação do homem (BARROCO et al, 2018). Apesar de alguns metais serem essenciais para o crescimento dos organismos como o cobre, zinco e ferro, todas as formas de vida são afetadas por estes, dependendo da dose e de sua forma química. Alguns compostos são biologicamente ativos no ambiente e podem interagir com a biota do meio, interferindo de maneira significativa no metabolismo e no comportamento das espécies, ocasionando diversos danos aos seres vivos, desde plantas e até mesmo aos seres humanos (ROCHA, 2009; BELISÁRIO, 2009). Entre os mais variados compostos que entram nos ecossistemas aquáticos, o cobre é um dos mais difundidos e poluentes dependendo da sua forma química. Como as formas antropogênicas do cobre, destacam-se a mineração, fundição e incineração além de ser amplamente utilizado em formulações de fungicidas, fertilizantes, bactericidas e demais agrotóxicos em geral (SAMPAIO et al, 2013). Considerando o contexto atual, se reconhece a importância das relações entre indivíduo e meio ambiente com ações em prol da sustentabilidade. Concomitante a isso, o planejamento para uma sustentabilidade ambiental é um instrumento que se dirige a planejar e programar o uso do espaço, das atividades, o desenvolvimento e a organização da sociedade, em harmonia com a natureza, fazendo o aproveitamento dos recursos e protegendo a qualidade do meio ambiente (CAVALCANTI, 2011). Sendo assim, visando a melhoria das condições ambientais, a biossorção surge como uma alternativa, pois é caracterizada por utilizar microrganismos ou biomassa vegetal para remoção, recuperação ou retenção dos metais presentes em resíduos tóxicos, envolvendo uma fase sólida (adsorvente) e uma fase líquida (adsorvato) em que, por diversos mecanismos, o adsorvato é atraído pelo adsorvente (SILVA et al, 2014). Vários aspectos precisam ser considerados para a utilização de um material como biossorvente, como por exemplo o pH, a melhor massa e o melhor tempo a serem utilizados no processo de biossorção. O ponto de carga zero (PCZ), pode ser definido como o valor de pH no qual a adsorção de íons H+ e OH- é igual, ou seja, a superfície do biossorvente possuirá carga neutra (TEIXEIRA et al, 2017; FREITAS et al, 2016). Além disso, se pode definir a ionização dos grupos funcionais das superfícies e a sua interação com espécies metálicas na solução (SILVA, 2012). Diante disso, esse ponto pode variar de acordo com a formação de complexos catiônicos ou aniônicos na superfície do sólido. Portanto, quando o adsorvente está carregado negativamente em soluções com pH superior ao PCZ, poderá atrair espécies metálicas positivas; por outro lado, quando o adsorvente está carregado positivamente em soluções com pH inferior, poderá interagir com espécies de carga negativa (FREITAS et al, 2016; WERNECK et al, 2018). Contudo, em se tratar do processo de biossorção, além do estudo do PCZ respectivo a biomassa a ser utilizada, se deve realizar experimentos referentes a massa apropriada de biossorvente para certa quantidade de solução e melhor tempo de contato, onde nestes, se pode avaliar também a extração ou não do metal. Estudos de tempo e massa objetivam a investigação de quantas horas e qual a quantidade de massa necessárias para que haja a maior porcentagem de biossorção do íon a ser adsorvido. Ainda, análises de espectroscopia de infravermelho e microscopia, objetivam melhor observação das características da biomassa, visando identificar os grupos funcionais e a observação da superfície do material, respectivamente. Portanto, esse trabalho objetiva a investigação das características adsortivas de laranjas das espécies Pêra e Bahia, utilizando bagaços e cascas para o processo de biossorção, assim como, o uso destas propriedades para a biossorção do íon cobre.

Material e métodos

Preparo do biossorvente Os adsorventes utilizados para análise foram casca da laranja espécie Pêra, bagaço da laranja espécie Pêra, casca da laranja espécie Bahia e bagaço da laranja espécie Bahia. Para o preparo do material, as cascas e bagaços foram lavados com água destilada. Após, foram secas em estufa por 24 horas a 80 °C, a fim de eliminar a umidade. Após a secagem, foram trituradas em moinho de facas e peneiradas em membranas de poliéster de 354 µm. Determinação do Ponto de Carga Zero (PCZ) A fim de determinar o PCZ, o estudo se baseou no experimento dos 11 pontos descrito por Regalbuto (2004). Para isso, pesou-se cerca de 50 mg de cada adsorvente e adicionou-se 50 mL de água destilada e o pH foi ajustado com HCl ou NaOH 0,1 mol L-1 em 1,0; 2,0; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 8,0; 9,0; 10,0; 11,0 e 12,0. As soluções foram colocadas em agitação por 24 horas à temperatura ambiente. Após 24 horas em agitação, o pH foi medido novamente com pHmetro digital. Determinação do melhor tempo de contato Para a determinação de melhor tempo para o processo de biossorção; optou-se por utilizar 0,1 g de biomassa em 50 mL de solução de Cu+2 10 mg L-1, nos tempos de: 0,5; 1,0; 3,0; 6,0; 9,0; 12,0 e 24,0 horas para cada uma das quatro variedades de biomassa. A determinação da concentração de cobre foi realizada em triplicata por Espectrometria de Absorção Atômica de Chama (PinAAcle 900T, Perkin Elmer) na Central de Análises da UTFPR Pato Branco. Determinação da melhor massa Para cada biomassa, as massas foram variadas em 0,03; 0,05; 0,07; 0,1; 0,13 e 0,15 gramas em 50 mL de solução de Cu+2 10 mg L-1. A determinação da concentração de cobre foi realizada em triplicata por Espectrometria de Absorção Atômica de Chama (PinAAcle 900T, Perkin Elmer) na Central de Análises da UTFPR Pato Branco. Análise de Espectroscopia de Infravermelho A identificação dos principais grupos funcionais presentes na superfície do material adsorvente foi realizada por Espectroscopia de Infravermelho na região do Médio com Transformada de Fourier (FT- MIR) (modelo Frontier, Perkin Elmer), usando-se da análise de Reflectância Total Atenuada (ATR). A análise foi realizada na Central de Análises da UTFPR Pato Branco. Análise de Microscopia Eletrônica de Varredura Neste ensaio, foram analisadas as amostras antes e após o processo de biossorção do íon cobre. Cada amostra foi observada nas aproximações de 100, 200, 500 e 1000 vezes. As análises foram realizadas por Microscópio Eletrônico de Varredura – MEV (modelo TM3000, Hitachi) na Central de Análises da UTFPR Pato Branco.

Resultado e discussão

A biossorção compreende o processo de recuperação e remoção de um metal através do uso de uma biomassa vegetal. Desta forma, analisando-se a capacidade adsortiva das laranjas de espécies Pêra e Bahia, têm- se como resultados os dados descritos. Após os experimentos necessários, constatou-se que o PCZ para Bagaço da laranja Pêra é o pH 5,8; 5,5 para casca da laranja Pêra; 4,5 para bagaço da laranja Bahia e 5,5 para casca da laranja Bahia. Esses pH’s representam que as cargas negativas e positivas estão em equilíbrio, apresentando superfície neutra. Para valores de pH abaixo do PCZ, a superfície da biomassa possui cargas superficiais positivas, desse modo atrai íons negativos. Em valores acima do PCZ a biomassa possui cargas superficiais negativas, atraindo íons positivos (RECH, 2014). Desta forma, o melhor pH a ser utilizado para testes de adsorção de metais com BLP está entre 5,9 e 10,0; para CLP entre 5,6 e 10,0. Já para testes com BLBh, é indicado serem realizados experimentos com pH entre 4,6 e 10,0 e para CLBh entre 5,6 e 9,0. Proporcionando a continuidade dos estudos para a determinação de melhor massa e melhor tempo para o processo de biossorção, o valor de pH utilizado foi 6,0 para todas as biomassas. Este valor está de acordo com o apontado por Freitas et al (2016), em que o valor de pH encontrado foi realizado com a média aritmética dos pontos em que o pH se manteve constante, resultando em um valor 6,72. Formica et al (2017), investigou as propriedades adsortivas da casca da laranja e o valor de PCZ encontrado foi de 6,53 baseado em um gráfico feito com a diferença dos valores de pH inicial e final. Para a determinação do melhor tempo de contato para o processo de biossorção, considerou-se a maior porcentagem de recuperação de acordo com os intervalos descritos nos métodos e a utilização de 0,1g de biomassa acrescidos de 10 mg de cobre em solução aquosa de CuSO4. Desta maneira, têm-se que para a casca da laranja Pêra o melhor resultado se apresentou no processo realizado por 6 horas, a qual teve a porcentagem de biossorção de 92,37%; para o bagaço desta mesma espécie, obteve-se o melhor resultado em 9 horas assim como para a casca e bagaço da espécie Bahia, as quais obtiveram recuperação de 80,23% , 89,82% e 89, 75%, respectivamente. Conforme é possível observar no gráfico 1, o aumento de massa contribuiu para o aumento da biossorção, independente da biomassa utilizada. Está em destaque amarelo a solução padrão de aproximadamente 11 mgL-1, já as concentrações após a biossorção, variaram podendo atingir níveis inferiores à 1 mgL-1, resultando em um alto índice de adsorção. Considerando - se os dados obtidos através das análises realizadas, e levando em conta as massas de 0,03; 0,05; 0,07; 0,1; 0,13 e 0,15 gramas para todas as biomassas, têm-se como resultado, as porcentagens de biossorção. Para a casca da laranja Pêra, obteve-se: 82,51; 90,37; 94,75; 97,57; 97,87 e 98,30%. O bagaço da laranja Pêra demonstrou 90,77; 95,15; 96,10; 96,95; 96,36 e 97,35%. A casca da laranja Bahia obteve 85,90; 89,87; 93,21; 93,80; 94,19 e 94,87% de recuperação. E por fim, o bagaço da laranja Bahia demonstrou 89,12; 92,11; 84,65; 86,03; 87,12 e 89,50% de recuperação, respectivamente. Ligado a isso, observa-se que para as cascas de ambas as espécies os resultados foram crescentes conforme a quantidade de massa foi aumentando. Já para os bagaços, se nota um pequeno aumento de porcentagem de recuperação e logo em seguida uma diminuição seguida de uma porcentagem crescente novamente. Porém de toda forma, se pode considerar que quanto maior a quantidade de massa, mais alta será a porcentagem de biossorção para o íon cobre. O gráfico 2, mostra os espectros de infravermelho para o biossorvente bagaço da laranja Pêra antes e após a biossorção. Em coloração alaranjada, representando o processo anterior à biossorção, é possível observar a banda em torno de 3477 cm-1 que representa o grupo -NH; estiramento de aminas e amidas secundárias; a banda de 2985 cm-1 pode ser atribuída a presença dos grupos -OH e -CH, assim como 1075 cm-1, representa um grupo -CH. Em azul, o espectro apresenta os grupos funcionais que sofreram ligações após o processo, sendo possível verificar a ocupação dos sítios ativos de adsorção após a biossorção do íon cobre. A observação das bandas do espectro e a identificação dos grupos funcionais são importantes para a análise do comportamento do processo de adsorção. Assim, observando-se o desaparecimento dos picos nas bandas descritas, se nota que os grupos funcionais, facilitam a adsorção dos metais pesados, pois os íons metálicos são atraídos pelos sítios ativos que estão presentes na superfície das partículas (PEREIRA, 2017). Ainda, a figura 1 mostra a micrografia obtida do biossorvente bagaço da laranja Pêra antes do processo de biossorção em um aumento de 500 vezes, percebe-se a natureza irregular e porosa deste material, característica fundamental em estudos de biossorção, visto que assim, se torna possível a adsorção do adsorvato nas diferentes partes das biomassas (PEREIRA, 2017).

Conclusões

Conforme os resultados obtidos nos testes, foi possível observar que a laranja, independente da espécie e parte orgânica, possui PCZ entre os valores de pH 4,5 e 6,0. E quanto às porcentagens de biossorção, a casca da laranja Pêra obteve 98,30%; o bagaço da laranja Pêra demonstrou 97,35%; a casca da laranja Bahia obteve 94,87% e o bagaço da laranja Bahia demonstrou 89,50% de biossorção, podendo-se então, considerar a laranja como um bom biossorvente a fim de adsorver o íon cobre. Por fim, vale relembrar a importância das alternativas que contribuem para o meio ambiente, principalmente as que utilizam de materiais orgânicos que seriam descartados, sendo a biossorção uma delas. Apresentando diversas vantagens frente a outras técnicas, a biossorção se mostra mais barata e também eficaz. Reaproveitando um adsorvente natural que proporcione alta taxa na capacidade de remoção de metais tóxicos presentes na natureza, assim como diminuindo os resíduos metálicos e tóxicos gerados pelas indústrias, este método pode ser considerado sustentável.

Agradecimentos

Programa Institucional de Bolsas de Iniciação Científica - PIBIC, vinculado ao Edital Unificado de Pesquisa n° 03/2021 – DIPE/PROEPPI/IFPR

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